Полупроводниковые лазерные диоды

 

В технике ВОСП широкое применение находят когерентные источники света, которые излучают синфазные световые волны. В основе их работы лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченное объемным резонатором. Широкое применение получил резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два плоских параллельных зеркал R₁ и R₂, расположенных на расстоянии L друг от друга, нормально к ним распространяется плоская волна оптического излучения. Зеркала выполняют роль положительной обратной связи.

В результате отражения волн от зеркал R₁ и R₂ в пространстве между ними образуются стоячие волны (рис. 3.4). Условие резонанса имеет вид:

L = ql / 2, (3.4)

где q - целое число, называемое индексом колебания, l - длина волны оптического излучения.

 

d

R2

P2

P1

n1

n2

n2

n

р

R1

>

Активный слой

L

Общая структура резонатора Фабри-Перо

 

Таким образом, наличие резонатора создает условия существования синфазных оптических волн, и спектр излучения становится дискретным и когерентным.

wk +2

wk +1

wk

wk -1

wk -2

Dw

dw

w

 

 

Для распространения одной поперечной моды толщина активного слоя полупроводникового диода находится из условия

(3.5)

 

 

где D - относительная разность коэффициентов преломления слое структуры D = (n ₁² - n ₂²)/2 n ₁². Например, для l = 1,55 мкм, при n ₁ = 3.54 и D = 0,1 толщина активного слоя должна быть не более d = 0,5 мкм.

Согласно законам квантовой механики в таких структурах с положительной обратной связью происходит не только спонтанное излучение, но и еще один процесс - так называемое индуцированное (вынужденное) излучение.

Суть вынужденного излучения состоит в том, что если на электрон, находящийся в зоне проводимости, падает свет с частотой f _о, примерно равной частоте f, то возникает излучение с частотой f _о и направлением падающего луча света. Таким образом, к спонтанному добавляется вынужденное излучение. При каждом переходе возникшего вынужденного излучения между зеркалами оно усиливается средой полупроводника, так как вызывает все новые и новые вынужденные излучательные рекомбинации носителей.

Если общие потери в такой структуре меньше, чем усиление, то возникает лазерный эффект, характеризующийся появлениям генерации вынужденного излучения. Стоит убрать зеркала, обеспечивающие положительную обратную связь (условие фаз), генерация прекращается, хотя спонтанное излучение можно по-прежнему наблюдать.

Следовательно, для возникновения незатухающих колебаний необходимо ввести в излучающую среду от внешнего источника энергию, необходимую для компенсации потерь в резонаторе и усиления оптического излучения.

Вынужденное или индуцированное излучение приводит к значительному снижению излучаемых поперечных мод,

 

Спектр вынужденного излучения

wk +2

wk +1

wk

wk -1

wk -2

2

w

 

 

В качестве источников света в ВОСП широко используются полупроводниковые лазерные диоды (ПЛД) с многокомпонентными ГС.

L

Инжекционной ток

Периодическая дифракционная решетка

Выходной луч

Рисунок 3.14 - РОС-лазерный диод

Как известно, лазер (аббревиатура английского выражения «Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation» - усиление света за счет вынужденного излучения) это источник когерентного оптического излучения, отличающийся от СИД тем, что использует вынужденное излучение среды, а не спонтанное, и наличием встроенного оптического резонатора. Используемые в ВОСП полупроводниковые лазеры изготовляются на основе ДГС с использованием резонатора Фабри-Перо или его модификаций, включая составные и внешние резонаторы, резонаторы с распределенной обратной связью (РОС-лазеры) и с распределенным брегговким отражателем (РБО-лазеры) с периодической пространственной модуляционной структурой. В РОС-лазерах периодическая структура совмещена с активной областью (рис. 3.14), а РБО-лазерах периодическая структура вынесена за пределы активной области (рис. 3.15).

 

В РОС-лазерах волновод выполняют с выступами и впадинами в виде дифракционной решетки, период которой удовлетворяет условиям Брегга.

Световая волна, проходя по такому волноводу, рассеивается всеми точками дифракционной решетки, причем при l = 1 рассеяние происходит в направлении распространения света, так и в противоположном направлении, а при l = 2 и в перпендикулярном к предыдущему направлению. В результате имеет место рассеяние света большой интенсивности. При этом обеспечение стабильных колебаний возможно только тогда, когда все отражения взаимодействуют конструктивно, поэтому, например, при длине волны 1,3 мкм и показателе преломления 3,3 период дифракционной решетки должен составлять 1,3/3,3 =0,39 мкм. Такой механизм позволяет выделить одну моду, подавляя все остальные. В современных РОС-лазерах подавление смежных мод достигает 40 дБ.

В РБО-лазерах периодическая структура - дифракционная решетка размещается за пределами активной области, а физические процессы аналогичны выше рассмотренным.

Периодическая дифракционная решетка

Выходной луч

Инжекционной ток

Рисунок 3.15 - РОБ-лазерный диод

 

Преимущества РОС и РБО-лазерных диодов по сравнению с лазерными диодами с резонаторм Фабри-Перо являются:

- меньшая зависимость длины волны излучения от тока инжекции и температуры;

- высокая стабильность одномодовости и одночастотности излучения;

- практически 100% глубина модуляции;

-температурный коэффициент Dl/DТ РОС и РБО-лазеров на порядок ниже лазеров с резонаторами Фабри-Перо;

- возможность реализации таких лазеров схемами интегральной оптики. Основной недостаток РОС и РБО-лазеров - в сложной технологии их изготовления.

В волоконно-оптических системах со спектральным разделением каналов и в измерительных приборах передачи находят применение лазерные диоды с внешними резонаторами. Одна из конструкций лазерного диода с внешним резонатором приведена на рис. 3.16. Один (или оба) конца диода покрываются специальным слоем, уменьшающим отражение, и соответственно, одно (или два) зеркала ставятся со стороны активной области полупроводниковой структуры. Антиотражающее покрытие умень-

Резонатор

Активный элемент

Антиотражающее покрытие

Дифракционная решетка

Линза

Рисунок 3.16 - Лазер с одним внешним резонатором

шает коэффициент отражения примерно на четыре порядка, тогда как другой торец активного слоя отражает до 30% светового потока. В данном лазере зеркало, как правило, совмещает функции дифракционной решетки. Для улучшения обратной связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза.

 

За счет изменения расстояния

до зеркала и разворота зеркала-решетки, можно плавно менять длину волны излучения, при этом диапазон настройки может достигать 30 нм. По своим параметрам и характеристикам лазеры с внешними резонаторами схожи с РОС и РБО-лазерами.

К числу основных характеристик полупроводниковых лазерных диодов, как и СИД, относятся: ватт-амперная характеристика или зависимость мощности излучения от тока инжекции (модуляции), диаграммы направленности, спектра излучения и срока службы. Соответствующие характеристики лазерных диодов будут даны в сравнении с характеристиками СИД при рассмотрении опросов построения передающих оптических модулей.

14.Основными характеристиками источников оптического излучения являются:

a. ватт-амперная характеристика (ВАХ) Р = f(I_н), описывающая зависимость мощности оптического излучения Р от тока возбуждения или тока инжекции - I_и; примерные ВАХ СИД и ЛД приведены на рис. 3.18; еще раз отметим, что ПЛД - пороговый прибор, лазерный эффект которого проявляется при превышении порогового значения тока инжекции I _пор.

 

СИД

ПЛД

I пор

Iи, мА

Р, мВт

 

2) спектральная характеристика излучения при различных величинах тока возбуждения (инжекции), показывающая зависимость относительной мощности оптического излучения Р от длины волны оптического излучения l, т.е. Р = f (l, I_в ); типичная спектральная характеристика источников оптического излучения приведена на рис.3. 19. Ширина оптического излучения Dl _0,5 на половине амплитуды излучения составляет для СИД 20…40 нм, для ПЛД - 2…5 нм.

l о

Dl 0,5

Р

l

Dl 0,5

Р макс

Р

l о

l

Dl 0,5

Р

l о

l

Рисунок 3.19 - Спектральная характеристика ПОМ на основе: а - СИД; б - многомодового ПЛД; в - одномодового ПЛД;

а)

б)

в)

0,5 Р макс

 

3) диаграмма направленности, представляющая пространственную характеристику излучения. После выхода света из источника начинается расширение светового пучка, и только малая его часть в действительности попадает в оптическое волокно. Чем уже диаграмма направленности, тем большая часть света может попасть в волокно. Хорошие источники излучения должны иметь малые диаметры выходных пучков света и малую апертуру (NA). Диаметр выходного пучка определяет величину поперечного сечения пучка излучения, а апертура NA - диапазон углов, в которых происходит излучение света. Если диаметр выходного пучка или его апертура превышают соответствующие параметры волокна, в которое вводится излучение, часть излучения не попадает в волокно.

На рис. 3.20. представлены типичные диаграммы направленности для светоизлучающих и лазерных диодов.

 

ПЛД

СИД

Рисунок. 3.20.- Диаграмма направленности источника излучения ПОМ

 

Диаграмма направленности полупроводникового лазерного диода ближе к эллиптической форме, а светоизлучающего диода – к сферической.

Когда выходной диаметр источника d_и не соответствует диаметру сердцевины волокна d _в, то потери излучения, связанные с рассогласованием данных параметров А _д, могут быть определены из следующего выражения:

. (3.14)